Nouveau concept de bolomètres pour la réalisation d'une camera millimétrique pour l'Astrophysique. – TERIBOL

L'étude du Fond Cosmologique Micro-onde (CMB) dans le domaine millimétrique est d'une importance capitale en Astrophysique. Son étude est dominée par l'utilisation de détecteurs de type bolomètres opérant à très basse température (jusqu'à 100mK). C'est le cas par exemple de l'instrument HFI de la mission spatiale PLANCK où une cinquantaine de détecteurs opèrent à la limite imposée par le bruit de photons de l'expérience. Les études futures comme l'exploitation de l'effet Suniaev-Zeldovich ou l'étude approfondie des anisotropies de la polarisation du CMB, déjà en projet, obligeront à gagner un à deux ordres de grandeur en sensibilité. Il faut donc envisager d'une part une amélioration du détecteur de base, le pixel élémentaire dont le bruit propre doit rester meilleur que le bruit de photons et d'autre part la multiplication de tels détecteurs pour constituer des matrices de milliers de pixels remplissant de manière optimale le plan focal des instruments et faisant reculer ainsi la limite inhérente au bruit de photons pour un temps de mesure donné. L'objectif ambitieux est de disposer de véritables caméras millimétriques de haute sensibilité. De nombreuses équipes dans le monde- dont les proposants du projet- travaillent à la mise au point de matrices par la réalisation collective d'un grand nombre de pixels de nature proche des meilleurs détecteurs élémentaires actuels. Dans le présent projet nous proposons d'explorer de nouveaux concepts au niveau de la structure du détecteur. L'ambition est d'une part d'en améliorer les performances ultimes et d'autre part de faciliter la réalisation de matrices à grand nombre de pixels. Nous proposons d'exploiter les propriétés intrinsèques de matériaux dont nous avons récemment approfondi l'étude, des alliages amorphes de type NbxSi1-x en couches minces près des transitions supraconducteur-isolant et normal-isolant. Les caractéristiques mesurées permettent d'envisager de regrouper dans le même matériau les trois fonctions de base d'un détecteur bolométrique de rayonnement: l'absorption de l'onde, la mesure ultrasensible d'une température et le découplage thermique qui conditionne directement la sensibilité. Ces matériaux peuvent en effet présenter simultanément à très basse température une impédance à haute fréquence optimale pour l'absorption, des caractéristiques thermométriques remarquables et un découplage thermique naturel entre le bain d'électrons qui assume les deux fonctions précédentes et le bain de phonons couplé à la source froide. Ce dispositif que l'on peut appeler bolomètre Tout Electron pour le Rayonnement Infrarouge (TERIBOL) n'utilise plus les phonons comme vecteur de l'énergie. On peut a priori en attendre une meilleure homogénéité de la réponse d'un pixel à l'autre, une amélioration des temps de réponse et enfin une grande simplification de la réalisation technique puisque le dispositif mécanique délicat de membranes microstucturées qui réalise actuellement le découplage thermique est assuré au sein du matériau. Nous attendons aussi une plus grande robustesse des dispositifs. Les paramètres que nous connaissons de NbxSi1-x permettent d'envisager des performances très compétitives au-dessous de 100 mK. Nous proposons l'étude de diverses solutions pour un fonctionnement vers 50 mK concrétisée par la réalisation d'une matrice de démonstration. Le recours à des détecteurs travaillant à très basse température est inéluctable si l'on veut maintenir leur bruit propre (imposé par des limites thermodynamiques) en dessous du bruit de photons des expériences futures. Le présent projet propose donc d'explorer une nouvelle structure de bolomètres basée sur les propriétés remarquables de couches minces de NbxSi1-x à très basse température.